Wenn Schüler räumliche Fähigkeiten erwerben, erhalten ihre verbalen Fähigkeiten einen Schub

Herkömmliche Tests können die Lernfähigkeit eines Schülers unterschätzen. Soziokulturelle Barrieren, Prüfungsangst und Unterschiede in der Geschwindigkeit der Gehirnentwicklung können die Ergebnisse verzerren. Im Prinzip könnten neurowissenschaftliche Werkzeuge, die die Beobachtung der Gehirnaktivität ermöglichen, Lerngewinne besser charakterisieren. Aber Neurowissenschaft und Bildung sind nicht immer fruchtbare Partnerschaften eingegangen.

Neue Forschungsergebnisse, die die beiden Bereiche gewinnbringender koppeln, legen nahe, dass sich die Vorteile beim Einsatz räumlicher Fähigkeiten im Klassenzimmer über das räumliche Verständnis hinaus auf andere Arten des Denkens erstrecken, z. B. das mentale Entschlüsseln eines Problems mithilfe von Wörtern. Die Ergebnisse, veröffentlicht am 10. August in Wissenschaftliche Fortschritte, zeigen auch, dass neurowissenschaftliche Werkzeuge in einem realen Klassenzimmer erfolgreiches Lernen besser vorhersagen können als traditionellere Ansätze wie Tests und Noten. Diese Informationen könnten Programme und Methoden unterstützen, die den größten Lernerfolg für das Geld bieten.

Neurowissenschaftliche Forschung erfordert normalerweise erhebliche Vorabinvestitionen, ohne genau zu wissen, was der gesellschaftliche Nutzen sein wird, sagt Markus Knauff, Lehrstuhl für experimentelle Psychologie und Kognitionswissenschaft an der Universität Gießen in Deutschland, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Diese Ergebnisse zeigen, wie wichtig solche Forschung für die Praxis sein kann, wenn eine Studie sorgfältig konstruiert wird, um eine „ausgesprochen wichtige angewandte Frage mit hoher gesellschaftlicher Relevanz zu behandeln, nämlich wie das Lernen in Schulen verbessert werden kann“.

Neurowissenschaftler, Psychologen und Bildungsexperten arbeiteten in der neuen Studie zusammen, um neurowissenschaftliche Tools und einen raumbasierten Lehrplan einzuführen, der die Arbeit mit Mapping-Tools in fünf High Schools in Virginia erforderte.

Da es unethisch ist, Studenten in Klassen zu schleusen, die sie nicht belegen wollen – jedenfalls für Forschungszwecke –, wählten die Ermittler eine andere Taktik. Die Studierenden hatten die Möglichkeit, ein „Geosemester“ zu belegen, in dem sie geographiebasierte Datensätze mit digitalen Ressourcen erstellten und auswerteten. Die Forscher brachten Studenten, die sich für den Geodatenkurs entschieden, mit Kommilitonen zusammen, die einen anderen, aber ebenso anspruchsvollen naturwissenschaftlichen Kurs gewählt hatten, und bildeten zwei Gruppen, die sich so ähnlich wie möglich waren. Auf diese Weise bestand der Hauptunterschied zwischen den Gruppen darin, welchen Kurs sie gewählt hatten.

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Für die Geodatenklasse arbeiteten die Schüler an kartenbasierten Lösungen für Probleme wie die Reduzierung von Hitzeinseln in städtischen Umgebungen oder das Auffinden von Bären, die aus den Blue Ridge Mountains wandern. Beim Erstellen von Karten als Teil ihrer Problemlösung mussten die Studenten „ein globales Gefühl dafür bekommen, wie die Dinge miteinander zusammenhängen“, sagt Studienautor Adam Green, außerordentlicher Professor für Psychologie an der Georgetown University.

Vor Beginn ihres Unterrichts absolvierten die Schüler eine Reihe von Tests, in denen räumliche Fähigkeiten und verbales Denkvermögen gemessen wurden, wobei sie Probleme lösten, die in Worten dargestellt wurden. Ein verbales Problem könnte beispielsweise zwei Aussagen vorbringen, wobei die erste besagt, dass „der Affe besser ist als die Katze“, und die zweite behauptet, „der Hund ist schlimmer als die Katze“, was nach dem Logischen verlangen würde mit der Begründung, dass „der Affe besser ist als der Hund“.

Ein wichtiger Test in der Studie war das „räumliche Scannen“, die Fähigkeit, Merkmale von einer Karte auf einer anderen zu platzieren. Der Test dieser Fähigkeit war die „Aufgabe zu eingebetteten Figuren“, bei der die Testteilnehmer eine geometrische Form einzeln betrachteten und dann einige Sekunden Zeit hatten, sie eingebettet in ein zweites Bild aus geschichteten geometrischen Formen zu lokalisieren.

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass Studenten, die den Kurs für räumliche Fähigkeiten belegten, auch Verbesserungen beim verbalen Denken zeigen könnten. Sie stützten diese Vorhersage auf ein Konzept, das als „mentale Modelltheorie“ bekannt ist und postuliert, dass die Fähigkeiten des menschlichen verbalen Denkens aus Gehirnbereichen entstanden sind, die Primaten zum Verständnis ihrer räumlichen Umgebung nutzen.

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„Aus evolutionärer Sicht brauchten wir bei der Entwicklung des Menschen Gehirnregionen, die der räumlichen und motorischen Verarbeitung gewidmet waren, um die Welt zu bereisen“, sagt der Erstautor der Studie, Robert Cortes, Doktorand an der Georgetown University. „Als wir die Fähigkeit zu logischem Denken entwickelten, haben wir keinen neuen Bereich des Gehirns wachsen lassen, sondern vorhandene Ressourcen kooptiert, um Probleme zu lösen, die nicht einmal räumlich sind.“

Cortes und seine Kollegen stellten fest, dass diese Überlappung im Gehirn auch zu einer verbesserten verbalen Leistung führen könnte, wenn die Schüler ihr räumliches Verständnis verbesserten. Einer der Tests bewertete auch, wie sehr sich die Schüler in ihrem Denken und Lernen auf räumliche Strategien stützten.

Nachdem die 346 Studenten der Studie ihren Unterricht abgeschlossen hatten, nahmen sie an diesen Tests erneut teil, und die Forscher verglichen die Ergebnisse von vorher und nachher. Bei einer Untergruppe von 63 Schülern verwendeten die Forscher auch Bildgebung des Gehirns, um die Aktivität während beider Testperioden zu verfolgen, wobei der Schwerpunkt auf den Gehirnregionen lag, die mit räumlichem Denken verbunden sind. Anschließend verglichen sie, wie gut die Bildgebung eine Verbesserung bei den Tests zum räumlichen und verbalen Denken vorhersagte, und wie gut traditionelle leistungsbasierte Tests diese erfassten.

Die Schüler in der Klasse für Geodaten begannen mit einem niedrigeren Argumentationsvermögen und ähnlichen Ergebnissen beim räumlichen Denken wie ihre Kollegen in der anderen Klasse. Aber nach dem Ende des Geoinformationskurses hatten sich die Schüler dieser Gruppe bei den meisten Maßnahmen deutlich besser entwickelt als ihre Mitschüler.

Das faszinierendste Ergebnis für die Forscher unterstützte die mentale Modelltheorie: Die Verbesserungen dieser Schüler im verbalen Denken stimmten mit ihren Verbesserungen bei den räumlichen Tests überein, was darauf hindeutet, dass dort, wo sich das räumliche Denken schärfte, auch das verbale Denken zunahm.

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Die Bildgebung des Gehirns zeigte Aktivitätsänderungen für Regionen, die mit räumlichem Denken bei Primaten in Verbindung stehen, mit steileren Anstiegen bei Schülern, die den Geodatenunterricht abgeschlossen hatten, im Vergleich zu ihren Altersgenossen. Diese Bildgebungsmuster erwiesen sich als weitaus besser als herkömmliche Maßnahmen wie Tests und Noten, um vorherzusagen, wie stark sich die Schüler bei den Lernmaßnahmen verbessern würden.

Die Mental Model Theory hat eine jahrzehntelange Geschichte, und diese Erkenntnisse unterstreichen ihre Macht, sagt Knauff. Sie „zeigen einmal mehr, wie wichtig Raum für unseren Geist ist, auch für Fähigkeiten, die per se nicht räumlich sind“, fügt er hinzu.

Cortes, Green und ihre Kollegen sind an Deck, um den Lehrplan für Geodaten in mehr Schulen einzuführen. Der Kurs „lehrt eine wirklich nützliche Fähigkeit“, und seine allgemeinen Ansätze könnten in andere naturwissenschaftliche Kurse integriert werden, sagt Cortes. „Es ist ein cooler Kurs, den ich gerne in der High School belegt hätte.“

Die Ergebnisse bieten eine potenzielle Warnung davor, was Menschen riskieren, wenn sie auf räumliche Lernerfahrungen verzichten und sich stattdessen auf einen Smartphone-Navigator verlassen, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen. Green verlor kürzlich während eines Familienurlaubs in einer ländlichen Gegend ein Signal und fand sich mit einer Erklärung wieder Papierkarten und Navigationsmethoden an seine Kinder weiter.

Trotz der Herausforderungen beim Falten bedeutete das Anzeigen und Erinnern einer ganzen Papierkarte, auf ein „räumliches Verständnis dessen zuzugreifen, wohin man ging“, sagt er, anstatt sich auf Nahaufnahmen einer Route in einer Karten-App zu verlassen. Die Schüler der Studie mussten eine ähnliche Version der Fähigkeit zum Scannen der „ganzen Karte“ entwickeln, und die Ergebnisse, so Green, „machen eine Klasse wie diese und einen räumlichen Ansatz für die Bildung im Allgemeinen zeitgemäßer und wichtiger“.

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